期刊基本信息
创刊：
1959年 • 月刊
名称：
光学 精密工程
英文：
Optics and Precision Engineering
主管单位：
中国科学院主管
主办单位：
中国科学院长春光学精密机
出版单位：
科学出版社
主编：
曹健林
副主编：
白雨虹
ISSN：
1004-924X
刊号：
CN 22-1198/TH
电话：
0431-86176855
邮箱：
地址：
长春市东南湖大路3888号
邮编：
130033
定价：
100元/期
光学 精密工程 第23卷 第7期
分析了现行光学遥感仪器辐射定标方法的局限性,以满足定量化遥感的精度及多数据融合比对研究的需求.设计了以空间低温辐射计为初级辐射基准,以太阳为光源,包括太阳单色仪、太阳光谱仪、传递辐射计、太阳漫反射板等组件在内的可在轨溯源的光学遥感仪器辐射定标基准传递链路.首先以低温辐射计和太阳光源建立的光谱辐射基准定标传递辐射计和太阳光谱仪;然后利用传递辐射计定标太阳漫反射板,建立对地光谱辐亮度基准;继而将基准传递至地球光谱成像仪作为对地观测标准,从而实现对其它卫星光学遥感器的交叉定标.对光学遥感仪器辐射定标基准传递链路各个环节的分析显示,辐射定标基准传递链路的测量相对不确定度为0.75%.结果表明,以此辐射基准传递链路构建覆盖我国空天一体的遥感定标网络可为建立平行于地面基准体系的空间数据质量保障体系奠定技术基础.
空间辐射度学 光学遥感仪器 遥感定标 基准溯源 radiometry in space optical remote sensing instrument remote sensing calibration traceable benchmark 为了避免太阳敏感器(DSS)指向故障导致星载太阳辐射监测仪(SIM)功能失效,为风云三号(FY-3(03))卫星的太阳辐射监测仪(SIM)设计了备份跟踪方式程控太阳跟踪并分析了其跟踪精度.利用星上儒略日时间和卫星轨道瞬根,基于类基准地表辐射网(BSRN)算法推导了轨道坐标系太阳矢量、俯仰角和偏航角.将计算结果与卫星给定指向数据进行了比较.结果表明:太阳矢量三轴偏差均小于0.1°,俯仰角平均偏差为0.024 6°,偏航角平均偏差为-0.080 4°.对利用程序计算的多轨道指向数据进行了太阳模拟跟踪控制实验,结果表明:SIM俯仰跟踪控制精度优于0.1°,偏航跟踪控制精度优于0.05°.为保证在轨跟踪精度,试验了俯仰零点角和偏航零点角,其分别为80.46°和-36.96°.最终分析结果表明,俯仰程控跟踪不确定度为±0.318°,偏航程控跟踪不确定度为±0.316°,满足SIM太阳跟踪精度±0.5°的要求.设计的太阳程控跟踪降低了SIM对光学指向器件的依赖,提高了在轨太阳跟踪的可靠性.
星载太阳辐射监测仪 太阳矢量 太阳跟踪 太阳同步轨道 太阳总辐照度 spaceborne solar irradiance monitor sun vector sun-tracking sun synchronous orbit total solar irradiance 对风云三号(FY-3)中分辨率光谱成像仪(MERSI)的黑体进行了在轨太阳污染模拟,以掌握在轨太阳污染对面源黑体的影响,同时研究了抑制太阳污染的措施.模拟了FY-3卫星轨道及全轨道周期内太阳光的入射角,使用Tracepro软件建立了太阳污染模拟的模型,利用太阳光入射与MERSI的相对位置对太阳污染进行仿真,分析了污染随光谱成像仪扫描镜旋转和卫星飞行位置的变化.最后,根据分析结果设计了太阳污染抑制措施,并对抑制效果进行了仿真验证.结果表明:在扫描镜附近区域设置遮光板,有效地抑制了太阳光的污染,使辐射量级小于0.1 W,整个太阳污染功率下降了97%以上,对黑体有良好的保护效果.另外,提出的方法提高了面源黑体温度的均匀性和稳定性,保证了红外通道星上定标精度.
风云-3/中分辨率光谱成像仪(FY-3/MERSI) 面源黑体 太阳污染 Tracepro仿真 污染抑制 FY-3/Medium Resolution Spectral Imager (FY-3/MERSI surface source blackbody solar pollution Tracepro simulation pollution suppression 为了定量评估影响时间延迟积分(TDI)CCD空间相机信噪比的因素,研究了TDICCD空间相机成像机理和噪声来源,建立了相机的信噪比模型.分析了辐射亮度、积分级数、行频和系统增益(模拟增益)对信噪比的影响.搭建了实验室辐射定标系统,模拟了相机在轨工作时的辐射亮度条件.通过辐射定标对不同工作参数与相机信噪比的关系进行了验证.结果表明:对于TDICCD相机来说,光子散粒噪声、暗电流噪声和固定图形噪声在诸多噪声中起主导作用.相机的输出信号和信噪比均随着辐射亮度、积分级数和系统增益的增加而增大,随着行频的增加而减小.辐射亮度、积分级数、行频和系统增益对信噪比的影响量不同.具体来说,即当辐射亮度、积分级数和行频变化量分别为L倍、M倍、τ倍时,其导致的信噪比变化量略大于L1/2倍、M1/2倍、τ-1/2倍.系统增益只能在相对较小的范围内影响信噪比,且信噪比变化幅度随着增益的提高逐渐减小.
CCD空间相机 信噪比 时间延迟积分 辐射亮度 积分级数 行频 系统增益 CCD space camera signal-to-noise ratio time delay integration radiance integration stage line transfer frequency system gain 针对极轨气象卫星的特点,提出了利用极地冰雪目标进行风云(FY)卫星中分辨率光谱成像仪(MERSI)传递函数(MTF)测试的刃边方法.该方法沿着冰雪和海洋之间的边缘进行取样,然后将获得的点扩展函数经过傅里叶变换得到最后Nyquist频率点处的MTF值.该方法能够应用于绝大多数MERSI通道.MTF测试结果表明:在轨初期,FY-3B/C-MERSI图像在卫星飞行方向的MTF结果都在0.31左右,图像质量较高,能够满足设计指标.但两颗卫星的MERSI传感器图像空间频率特性沿扫描方向都不是很好,1 000 m分辨率的FY-3C图像测试结果集中在0.12左右,FY-3B集中在0.10左右,且FY-3C星结果系统偏高于B星,B星250 m分辨率的测试结果只有0.07.分析认为导致这种图像频率特征质量在扫描方向严重下降的主要原因是设计MERSI时为保证信噪比保留的像元重叠扫描,建议在下一代FY-3号气象卫星设计时考虑这种重叠扫描的处理.
风云-3B/C中分辨率光谱成像仪 调制传递函数 重叠扫描 FY-3B/C Medium Resolution Spectral Imager (MERSI) Modulation Transfer Function (MTF) overlapped scanning 综述了国际上美国、德国、俄罗斯的典型红外遥感亮度温度标准装置的研究现状,着重介绍了由中国计量科学研究院研制的用于风云卫星红外载荷黑体定标的红外遥感亮度温度国家计量标准装置(VRTSF).给出了VRTSF的设计方案,描述了它的结构和光路.设计了满足风云卫星红外载荷定标黑体工作环境的真空低背景实验舱,建立了满足量值溯源需求的标准黑体辐射源作为量值标准器.标准变温黑体辐射源的温度覆盖190 K~340 K,口径为30 mm,空腔发射率为0.999 9,温度不确定度优于50 mK@300 K/10 μm(k=2).该装置的光谱为(1-1 000)μm,光谱分辨率为0.2 cm-1,可满足多种红外载荷的定标需求.该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,如未来该装置温度覆盖至(100-500)K,将会满足大部分红外载荷量值的溯源需求.
风云气象卫星 红外遥感 亮度温度 定标黑体 国家计量标准 FY meteorological satellite infrared remote sensing radiance temperature calibration blackbody national standard 提出空间相机在轨成像模式的概念,研究了建立空间相机成像模式的方法.首先,根据太阳高角和地物反射率,使用MODTRAN软件计算相机入瞳前的辐射亮度,分析相机的辐射定标数据,包括每种成像模式的响应度、辐射亮度范围,积分时间关系等.然后,分析相机测摆成像与平飞成像时的积分时间关系,获得相机在各侧摆角下,每种成像模式的辐射亮度范围.最后,依据成像模式的辐射亮度范围和各太阳高角下景物的辐射亮度范围,建立了太阳高角和相机侧摆角组合下的成像模式表.空间相机成像时,依据成像模式表查找对应的成像模式,即可按该模式成像.该方法已多次应用于遥感相机成像实验中,获得了较好的成像效果,图像质量的满意度由65%提高到99.9%.结果表明:依据该方法建立的空间相机成像模式,获得图像效果较好,图像既包含全部景物信息又具有丰富的图像层次.
空间相机 辐射定标 成像模式 space camera radiometric calibration image model 为了解决风云-3C/臭氧总量探测仪(FY-3C/TOU)太阳辐照度数据异常的问题,给出了一种求解TOU漫反射板坐标系安装偏差的算法,并利用调整后的安装参数对TOU太阳辐照度进行了修订.系统研究了该算法的基本原理及数值分析结果.该算法假设TOU在轨实际漫反射板坐标系与理想漫反射板坐标系之间的偏差可用未知转换矩阵刻画,根据太阳辐照度真值与TOU修订辐照度数据之间的关系建立了关于未知变量的方程.然后,基于最优目标问题求解出了转换矩阵的各未知参数;最后,将修订后的漫反射板坐标系参数代入TOU定位及定标处理流程,实现对FY-3C/TOU太阳辐照度偏差的订正,达到利用辐照度追踪仪器衰减系数的目的.数值分析结果表明偏差修订效果显著,TOU太阳辐照度的最大相对误差从35%降低为2%,相对误差波动范围从27.2%缩小为3.2%.
风云-3C卫星 臭氧总量探测仪 太阳辐照度 偏差修正 漫反射板坐标系 FY-3C satellite Total Ozone Unit(TOU) solar irradiance deviation correction diffuse plate coordinate system 对测绘一号卫星相机的各个光谱通道进行了光谱定标和辐射定标以验证其光谱辐射性能是否达到设计指标要求.进行光谱定标时,利用单色仪分光谱扫描波长提供准直单色辐射照明,同时同步采集定标图像数据;然后将图像灰度值与已经过校准的参考标准探测器的输出进行比对和数据处理,得到相机各个谱段的相对光谱响应函数曲线,从而进一步获得各项光谱特性参量.辐射定标时,采用近距离面源法充满相机的孔径和视场进行端对端的绝对和相对辐射定标.星上内定标则采用经老炼和筛选过的发光二极管(LED)作为星上定标光源,对焦平面阵列探测器及其成像电路的状态和辐射响应性能变化进行在轨监测,在必要的情况下予以校正.定标结果显示:测绘一号卫星相机的各项光谱和辐射性能均达到了设计指标要求,经过相对辐射校正后响应非均匀性由1.93%下降到0.22%,相机全色谱段信噪比超过90倍,多光谱各通道信噪比优于180倍;发射后在轨星上内定标数据与发射前实验室测试结果的比对显示相机的辐射响应性能未发生明显变化,暂时无须校正.
测绘相机 光谱定标 辐射定标 星上内定标 mapping camera spectral calibration radiometric calibration on-orbit inner calibration 基于风云-3C/可见光红外扫描辐射计(FY-3/CVIRR)的中红外通道(3.7 μm)的太阳污染现象和发生规律,分析了太阳污染出现的时空特征,提出了初步判识并修正北半球太阳污染数据的方法,并就太阳污染对定标系数和黑体亮温的影响做了定量的评估.结果表明,对于FY-3C/VIRR的中红外通道,太阳光线照射到定标黑体时所形成的北半球高纬度太阳污染主要出现在太阳天顶角在85°~118°之间的位置时;由太阳污染导致的该区域地球观测亮温日平均偏差为4.5 K左右,最大偏差达到15 K左右.通过对逐日太阳污染数据进行识别,并采用污染前后定标系数进行线性求差值,可以初步修正太阳污染对定标系数带来的异常影响.
风云-3C/可见光红外扫描辐射计(FY-3C/VIRR) 太阳污染 中红外通道 在轨定标 Feng Yun-3C/Visible and Infrared Radiometer (FY-3C mid- infrared band on-orbit calibration 叙述了广泛应用的光栅单色仪的色散原理,介绍了其常用的几种反射式水平成像系统的光学结构型式,描述了其波长定标和能量定标方法.对搭载航天单色仪的几个现有遥感仪器,如中分辨率成像光谱仪(MODIS)、太阳光谱分光计(SOLSPEC)、太阳后向散射紫外辐射计(SBUV)、紫外臭氧垂直探测仪-太阳后向散射紫外探测仪(UOVPP-SBUS)以及欧洲航天局(ESA)的TRUTHS项目等在辐射测量、光谱定标和绝对定标方面的应用现状进行了说明.最后讨论了未来航天单色仪可能的发展趋势及应用前景,指出采用太阳光源、航天单色仪和低温绝对辐射计相结合的绝对定标系统将是今后最具潜力的发展方向之一.
单色仪 低温绝对辐射计 光谱定标 绝对定标 空间遥感 monochromator cryogenic absolute radiometer spectral calibration absolute calibration space remote sensing 实际应用显示搭载在风云三号A星(FY-3A)上的可见光红外扫描辐射计(VIRR)的两个分裂窗波段(IR4,~10.8 μm;IR5,~12.0 μm)存在定标偏差.本文选择高光谱卷积法,用AQUA卫星搭载的大气红外探空仪(AIRS/AQUA)和METOP-A卫星搭载的干涉式红外大气探测仪(IASI/METOP-A)的观测数据对VIRR/FY-3A的两个分裂窗波段进行交叉辐射定标.根据卫星轨道特点,选择北极地区(60°N~90°N,180°W~180°E)作为研究区域,并选择2010年6月、9月、12月以及2011年3月作为研究时间段.首先,分别将AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据与VIRR/FY-3A的第4波段和第5波段的光谱响应函数进行卷积;对观测数据进行重采样,并基于普朗克黑体辐射公式实现辐射值和亮度温度之间的转换.然后,使用两个相关的匹配条件提取VIRR/FY-3A分别与AIRS/AQUA、IASI/METOP-A在第4波段和第5波段的匹配观测点对.最后,对匹配观测点对进行回归分析,得到交叉辐射定标偏差订正方程的系数.结果表明AIRS/AQUA和IASI/METOP-A的在轨辐射定标非常一致.以AIRS/AQUA和IASI/METOP-A波段的辐射定标为标准,VIRR/FY-3A第4波段的平均定标偏差分别为2.39 K和2.06 K,第5波段的平均定标偏差分别为0.59 K和0.44 K.实验指出定标偏差与亮度温度有关.
可见光红外扫描辐射计/FY-3A 分裂窗波段 大气红外探空仪/AQUA 干涉式红外大气探测仪/METOP-A 交叉辐射定标 高光谱卷积法 Visible and Infrared Radiometer/FY-3A split-window channel Atmospheric Infrared Sounder/AQUA Infrared Atmospheric Sounding Inter ferometer/METO cross-calibration high-spectral convolution method 为了基于测温电阻实现空间低温辐射计的腔温测量,研究了系统的电子学测量精度和测量稳定度.结合实际电子学需求,进行方案设计和器件选型,提出了一种新型的基于超低噪基准源LTZ1000ACH,四线制柱状锗电阻GR1400-AA和24位模数转换器LTC2400的对偶相消式精密电压测量系统. 对于整个链路信噪比进行了逐级理论计算和分析,并通过电路仿真软件TINA-TI对系统幅频特性和温度响应特性进行了仿真分析,最后在77K液氮环境下对该系统进行了测温精度和长期稳定性测试.实验结果表明:锗电阻实际采样电压值在100 μV内波动,长期测量稳定度达到1×10-5;在77 K液氮环境下,系统测温精度达到4 mK,长期稳定性达到1×10-5.得到的结果基本满足空间低温辐射计电子学部分的设计指标要求.
低温辐射计 锗电阻 电压测量 超低噪基准源 24位模数转换器 cryogenic radiometer germanium resistance voltage measurement reference source with high accuracy 24 bit Analog to Digital converter 分析研究了风云-3C中分辨率光谱成像仪(FY-3C/MERSI)发射一年以来反射太阳波段的辐射定标精度,利用位于全球范围内的沙漠、盐湖等12种亮度稳定目标,结合中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表和大气参数产品和大气辐射传输模型,计算出了卫星过境时刻入瞳处的波段反射率,并将其作为在轨绝对辐射定标精度检验的参考真值,对2014年1月~10月期间,FY-3C/MERSI反射太阳波段的辐射定标精度进行了验证分析.结果表明,FY-3C/MERSI大部分波段在高低端的定标精度大小不一致.有些波段明显呈现高端定标偏差大,低端定标偏差小的特点;有些波段呈现高、低端定标偏差大,中间低的特点.在仪器发射一年以来,波段1~4,9~11,15~16和波段19仍能保持5%的定标精度.各波段定标精度的时间变化表明:在整个研究时期内,除蓝光波段和水汽吸收波段,其他波段的定标精度变化幅度基本在5%以内.实验结果显示:使用沙漠及盐湖等多种亮度稳定目标,有效地掌握了更宽动态范围内FY-3C/MERSI的辐射定标精度情况.
辐射定标 风云3C/中分辨率光谱成像仪 稳定目标 太阳波段 radiometric calibration FY-3C/Moderate Resolution Spectral Imager (MERSI) stable target solar band 卫星遥感器的在轨交互定标是保证仪器数据记录的可靠性、连续性和一致性的核心方案,配合高精度的在轨参考基准仪器可使定标精度达到2%左右.本文介绍了交互定标技术的相关概念和意义,强调该技术是修正仪器间辐射定标相对偏差的重要手段.指出了交互定标的前提条件及现存难点.总结了交互定标实现流程,包括数据收集、匹配、筛选、处理,基准确定,精度分析等,分析了影响交互定标精度的各种因素.叙述了当前卫星光学遥感器交互定标的各类方法及其使用条件,总结了不同应用条件下所适用的各交互定标方法的定标精度.最后结合当前交互定标的国际合作活动,分析展望了未来光学遥感器在轨可溯源SI定标方法的前景趋势和难点问题.
星载光学仪器交互定标 地球观测系统 替代定标 国际合作 溯源性 精确度 satellite optical instrument intercalibration earth observing system vicarious calibration international collaboration traceability accuracy 宽动态范围的红外辐射特性测量系统往往预设多个积分时间档位,并对每个积分时间逐一进行非均匀性校正.本文研究了不同积分时间下非均匀性校正系数有的差异问题,基于黑体定标法和积分时间法提出了新的非均匀性校正方法.该方法只需要得到两个积分时间和两个定标温度点即可得到全动态范围所有积分时间下的非线性校正系数,可在保证校正精度的同时减少辐射源温度点,降低校正时间.使用某Φ400 mm口径的地基红外辐射特性测量系统对该方法进行了验证.结果表明,采用本文方法后图像的非均匀性由3.78%减小到0.24%.由4 ms下的校正数据可知,得到的校正结果接近直接用该积分时间进行校正的精度.提出的方法简化了所需设备,降低了校正时间,具有实时性强、精度高等特点,适用于外场测量.
制冷型红外探测器 辐射测量术 动态范围 积分时间 非均匀性校正 cooled infrared detector radiometry dynamic range integration time non-uniformity correction 以点激光位移传感器(HL-C211BE)为对象,研究它在自由曲面测量中的应用.针对激光位移传感器因测点倾角代入的测量误差,提出了一个可以量化的倾角误差模型.基于直射式点激光三角法原理,分析了激光光路的几何关系,从会聚光斑光能质心发生的偏移推导出倾角误差模型.随后,用高精度激光干涉仪和正弦规对激光位移传感器进行校对实验,并用误差模型对测量结果进行补偿.结果显示,补偿后激光位移传感器的测量精度得到明显提高.对一非球面凸透镜进行了实验测量,得到了自由曲面测点倾角的计算方法,并用倾角误差模型修正了测量数据.实验结果表明,量化的倾角误差模型可以将激光位移传感器的测量误差控制到小于10 μm,满足激光位移传感器在自由曲面测量中应用的要求.
激光位移传感器 自由曲面测量 非接触测量 三角法测量 误差补偿 laser displacement sensor free-form surface measurement non-contact measurement triangulation measurement error compensation 采用光线追迹法,分析了空间环境下离轴三反结构系统的猫眼效应.给出了离轴三反系统的像面倾斜、视场和离焦对猫眼回波效率和发散角的影响,证明了离轴三反系统像面倾斜量是决定能否发生猫眼效应的主要因素.提出利用阈值法实现激光主动探测猫眼信号的基本原理,并结合高阶余弦漫反射模型,分析了目标漫反射信号对猫眼信号检测的影响.估算了20 km到120 km探测距离下,理论上所需不同光束质量激光的最小脉冲能量.仿真表明,当发射光束的全角发散角为0.3 mrad时,50 km和120 km探测距离下所需的最小激光脉冲能量分别为0.7 mJ和3.1 mJ.最后,通过原理实验,验证了空间激光主动探测法探测目标“猫眼”效应的可行性.
激光主动探测 猫眼效应 离轴三反系统 回波特性 光线追迹 active laser detection cat′s eye effect off-axis three mirror system retro-reflection characteristics ray tracing 对光学自由曲面设计的关键问题——光学自由曲面的表征模型进行了研究.在传统高斯径向基模型的基础上,通过改善基函数的分布特性以及基于面形斜率调整基函数的形状因子,建立了基于面形斜率的高斯径向基表征模型.利用建立的模型、传统径向基模型和Zernike多项式模型拟合了不同类型的自由曲面,并进行了分析比较.结果证实了文中提出的模型较传统径向基模型的面形拟合精度提高了1~2个数量级,具有较强的面形表征能力.应用该模型进行了离轴三反系统的设计,结果显示设计的三反系统的全视场平均调制传递函数(MTF)达到80%以上.与传统面形表征模型相比,该模型的应用提高了系统的像差平衡能力,改善了系统的成像质量.综合分析表明,该模型适用于表征具有显著非对称性的、面形矢高带有显著局域性变化的自由曲面,有望应用于具有大离轴量和大视场的光学系统设计中.
光学自由曲面 面形拟合 面形斜率 高斯径向基 Zernike多项式 freeform optical surface surface fitting surface slope Gaussian radial basis function Zernike polynomial 根据分光测色仪的应用需要,对分光系统、光电接收系统及相关电路组成的光谱仪进行了模块化设计,以方便仪器的整体设计、装调和测试.考虑分光测色仪是非成像光学仪器,故提出用光纤来连接各光学模块.根据应用需求提出了光谱仪的主要技术指标,所设计光谱仪很好地完成了球差和彗差的校正.分析了用滤光片消除二级衍射光谱的方法,解决了光纤和光谱仪数值孔径不匹配的问题.研制了光谱仪系统,其外形尺寸为130 mm×90 mm×45 mm.实验测试显示,在狭缝宽度为50 μm时,光谱仪各波段的光谱分辨率都可以达到2 nm.对光谱仪进行了波长定标,定标精度小于0.2 nm,整个工作波段占401个像元,满足1 nm的波长输出间隔的设计要求.该光谱仪的可弯曲光纤和电子线路便于整机灵活布局与模块拆卸,同时方便单独测试.所述方法为分光测色仪的整机研制与测试打下了良好的基础.
光学设计 分光测色仪 模块化设计 光谱仪 二级衍射光谱 optical design color measuring spectrophotometer modular design spectrometer second order diffractive spectrum 进行空间滤波转速遥测时,需要确定目标旋转中心所在的位置后才能判定转速的方向并计算转速的大小.本文根据光学空间滤波测速原理,提出了一种基于双差分空间滤波传感器的旋转中心判定法.用多个光电池构成含有两个差分空间滤波器的双差分空间滤波传感器,该传感器输出中心频率为f1和f2的两路准正弦信号;移动双差分空间滤波传感器,用移动前后的两组中心频率值计算出系数j;根据j的符号和f1与f2的相对大小即可判定旋转中心的位置区域.结果表明,j<0代表旋转中心的成像点O′在双差分空间滤波传感器的中间,j>0且f1>f2表示O′在双差分空间滤波器的下同侧,j>0且f1差分空间滤波器 双差分空间滤波传感器 旋转中心 位置辨识 转速遥测 differential spatial filter double differential spatial filtering sensor rotation center location identification remote angular measurement
设计和制作了一种在同一基底上具有多闪耀角的宽波段全息-离子束刻蚀光栅.提出了组合形成宽波段全息-离子束刻蚀光栅的分区设计方法,优化了3种闪耀角混合的宽波段全息光栅设计参数,并利用反应离子束刻蚀装置对该光刻胶掩模进行刻蚀图形转移,采用分段、分步离子束刻蚀技术开展了获得不同闪耀角的离子束刻蚀实验.最后在同一光栅基底上分区制作了位相相同,并具有9,18,29° 3个不同闪耀角,口径为60 mm×60 mm,使用波段为200~900 nm的宽波段全息光栅.衍射效率测试结果显示其在使用波段的最低衍射效率超过30%,最高衍射效率超过50%,实验结果与理论计算结果基本符合.与其它方式制作的宽波段光栅相比,采用宽波段全息-离子束刻蚀光栅不但工艺成熟,易于控制光栅槽形,而且光栅有效面积尺寸较大,便于批量复制.
全息光栅 宽波段光栅 离子束刻蚀 刻蚀模拟 holographic grating broadband grating ion beam etching etching simulation 对成骨样细胞施加了周期性张力,探讨了成骨细胞MG-63受张力时的细胞周期和胞内Ca2+浓度的变化规律以及低能量激光照射(LLLI)对此变化规律的影响,揭示了LLLI促进骨形成的机制.实验首先将MG-63细胞随机分成对照组、加力组、激光加力组3组,用流式细胞术检测各组细胞周期.然后,将MG-63细胞分为张力组和激光张力组两组,对胞内Ca2+浓度变化进行测定,对2组细胞分别加力0,5,15,30,60 min,再对激光张力组施加激光照射1 min后收取细胞,并用荧光探针Fluo-3-AM测定成骨样细胞内Ca2+浓度和Ca2+阳性细胞百分比.结果显示:MG-63细胞加载张力后,细胞增殖指数提高,施加LLLI后受力的成骨细胞增殖指数进一步提高.张力引起胞内Ca2+浓度增加,变化剧烈,LLLI使变化曲线平缓,且胞内Ca2+浓度和Ca2+阳性细胞百分比增加.实验结果表明:LLLI可促进受张力的成骨细胞增殖,推测可能是通过调节成骨细胞内Ca2+浓度的变化规律和水平来完成的.
口腔正畸学 低能量激光照射 成骨细胞 张力 增殖 细胞内Ca2+浓度 orthodontics low-level-laser-irradiation (LLLI) osteoblastic cell strain proliferation concentration of intracellular calcium ion 分析了温度在高真空环境下对硅微机械陀螺品质因数的影响机理.阐述了热弹性阻尼的复频率模型和硅材料的温度特性,建立了品质因数温度特性理论模型,并对理论模型进行了仿真验证和实验验证.理论计算得到常温下品质因数的温度系数为-9.76×10-3/℃.利用ANSYS对品质因数的温度系数进行仿真分析,得到常温下品质因数温度系数的仿真值为-9.96×10-3/℃.对硅微机械陀螺进行品质因数温度实验,得到常温下品质因数的温度系数为-9.02×10-3/℃,与理论计算结果相差8.20%.实验结果表明:高真空环境下建立陀螺品质因数温度特性的理论模型可为陀螺的温度误差补偿提供理论依据,为陀螺的优化设计提供实际指导.
硅微机械陀螺 品质因数 温度特性 热弹性阻尼 高真空 silicon micromachined gyroscope quality factor temperature characteristic thermoelastic damping high vacuum 研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳.根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力.设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等.自感知验证实验结果表明:修正后在31.59 μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78 μm;在35.91 mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24 mN.实验结果验证了所提自感知方法是有效的.
压电微夹钳 钳指位移 夹持力 自感知 积分电荷 piezoelectric micro-gripper finger displacement gripping force self-sensing integral charge 以45 nm浸没式光刻物镜中采用的三点支撑反射镜为研究对象,建立了胶层连接的三点边缘支撑结构模型,用以确定胶层厚度对三点支撑反射镜面形变化的影响.分析了重力作用下三点支撑反射镜的面形变化情况,通过解析表达式描述了胶层厚度对反射镜受力变形的影响.建立了“支撑块-胶层-反射镜”的有限元计算模型,针对不同胶层厚度对反射镜的面形变化进行了仿真分析.仿真结果表明:随着胶层厚度的增大,反射镜的面形变化(均方根值RMS)呈现先减小后增大的趋势;当胶层厚度为280 μm时,反射镜面形变化的RMS值最小,约为1.25 nm.最后,通过实验测量了柔性双脚架三点边缘支撑导致的反射镜面形变化.结果显示:当胶层厚度为200,280,400 μm时,反射镜面形的变化结果均与仿真结果一致,验证了本文仿真结果的正确性.
光机系统 反射镜 三点支撑 表面面形 胶层 有限元模型 opto-mechanical system mirror three-point mount surface deformation adhesive Finite Element Model(FEM) 分析了旋流产生的机制及其驱动微粒运动的机理,建立了颗粒在旋流中的力学模型.以微米级的颗粒(几微米到几百微米)为例,分析了两支微管对向喷射所产生的旋流场的特点和颗粒在旋流场中的受力情况以及运动特点和运动规律.讨论了颗粒的尺寸、形状、位置变化对其旋转性能的影响,并通过实验验证了提出方法的可行性.分析和实验表明:两支平行微管相对喷射可以产生旋流,旋流可以驱动颗粒在其流场内稳定旋转.颗粒在旋流场内的运动性能与流场参数和微粒的形状、尺寸、偏心有关,减小颗粒的初始位置的偏心,减少公转成分,有利于颗粒姿态的捕捉和调整.即使颗粒参数变化,合理匹配流场参数,提出的方法仍然可以可以稳定地驱动颗粒转动.
旋流驱动 微粒转动 对向喷射 流场参数 swirl driving particle rotation flow injection folw field parameter 针对工程陶瓷的崩碎损伤,应用单颗粒划痕实验系统研究了切向载荷作用下Si3N4陶瓷的崩碎损伤特征和机理.比较了损伤位置、切入深度、切向速度和金刚石磨粒磨损等因素对陶瓷崩碎损伤的影响,应用3D激光测量显微镜观测了崩碎损伤表面的三维形貌,应用扫描电镜分析了崩碎损伤机理.结果表明:出口崩碎损伤是陶瓷崩碎损伤的主要形式;切入深度越大,切向速度越小,金刚石颗粒磨损越多,崩碎损伤就越严重.出口崩碎损伤的中心剖面线具有显著的阶梯形分形特征,其扩展演化规律可由逾渗理论和裂纹扩展的最小阻力原理解释.在切向载荷作用下,入口崩碎损伤在金刚石磨粒的碰撞下主要以穿晶断裂为主;内部崩碎损伤在金刚石磨粒的挤压和切割下主要以破碎和铲除的形式发生断裂;而出口崩碎损伤主要以沿晶断裂为主.
切向载荷 工程陶瓷 氮化硅陶瓷 崩碎损伤 单颗粒划痕 逾渗 sliding load engineering ceramics Si3N4 ceramics edge chipping single diamond grit scratching percolation 分析了高速精密磨削9CrWMn冷作模具钢的机理,采用DEFORM软件对高速磨削模具钢9CrWMn过程进行了磨削力仿真.使用高精密高速平面磨床对模具钢9CrWMn进行了高速精密磨削试验,并在线测量了多种工况下的磨削力.结果表明:在其他两组工艺参数不变时,随着工件进给速度增加,磨削力特别是法向磨削力会增大近45%;法向磨削力和切向磨削力随着砂轮的线速度上升而下降,法向磨削力下降近33%;磨削深度对磨削力影响较大,大的磨削深度对法向磨削力的影响尤其显著,可使法向磨削力增大近100%.分析了磨削工艺参数对比磨削能的影响规律,结果显示:随着磨削深度和工件进给速度的增大,比磨削能呈比较明显的下降趋势,符合磨削加工中的尺寸效应;随着砂轮线速度的增大,比磨削能呈上升趋势.最后,对高速磨削前后工件表面的微观形貌进行了对比分析,磨削力试验结果和仿真理论分析相一致.
高速磨削 冷作模具钢9CrWMn 磨削力 比磨削能 在线测量 high speed grinding cold work die steel 9CrWMn grinding force specific grinding energy measurement on line 为了加工形貌稳定且尺寸尽可能小的纳结构,建立了一套连续激光复合微纳探针的加工系统,并研究了光纤探针导光的连续激光辐照微纳探针的近场增强效应以及该系统的加工性能.首先,根据表面等离子体激元理论仿真分析了激光辐照原子力显微镜(AFM)探针的近场增强因子,并研究了微纳探针的针尖温度场和针尖热膨胀.接着,搭建了基于光纤探针导光的连续激光复合微纳探针的纳结构加工系统.最后,对聚乙烯片状材料样品进行了纳结构加工.结果显示:加工得到的纳米点尺度为200 nm左右;纳米线的尺度为30~40 nm.结果表明:光纤探针导光连续激光复合微纳探针系统避免了复杂的空间光路结构,是一种成本低廉,结构简单的系统,能够实现纳结构的加工.
纳结构 微纳探针 连续激光 刻划 近场效应 nanostructure Atomic Force Microscopy(AFM)probe continuous laser machining near-field enhancement 依据500 m口径球面射电望远镜(FAST)主动反射面工作原理及相关结构尺寸,基于反射面单元动态面形精度分析研究了FAST瞬时抛物面的拟合精度.首先,以反射面单元为研究对象,自节点开始推导考虑了机构运动的反射面单元动态面形精度计算方法.然后,提取不同区域19块反射面单元的各自9种初始面形工况,给出了分析算例.最后,基于单元动态精度特性,提出瞬时抛物面机械本体拟合精度及考虑馈源照明函数的半光程差拟合精度预估方法,并给出2种改善措施,即扩大可控区至300 m抛物面外一层节点靶标,及抛物面周圈节点靶标向球心、中心反向各自偏移4 mm.结果表明:反射面单元初始面形应优选面形精度RMS为2 mm的波浪式面板.改进控制策略后机械本体拟合精度提高至RMS为3.938 mm,优于RMS为5 mm的设计指标,此时半光程差拟合精度RMS为0.629 mm.该项研究对确定反射面单元初始面形及调节瞬时抛物面拟合精度很有意义.
500 m口径球面射电望远镜 反射面单元 初始面形 动态面形 面形精度 瞬时抛物面 拟合精度 Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telesc reflector element initial surface dynamic surface surface accuracy instantaneous parabolic reflector fitting accuracy 为了减小和消除平台框架的加工、装配误差,传感器误差等对双摆框架导引头指向精度的影响,提出了应用模型线性化方法和分步最小二乘估计的指向误差标定方法.根据双摆框导引头的运动学特性,同时考虑影响指向精度的各误差项,建立了系统运动学方程.然后,重新构造运动学方程,建立了由表示控制输入指向的矢量到实际指向矢量的线性化模型.最后,根据分步求解的思路,采用最小二乘法获得了由表示控制输入指向的矢量到实测指向矢量的映射矩阵,实现了指向误差的标定.实验结果显示:标定后偏航角与俯仰角误差均值分别由原来的92.63″和75.94″减小至2.86″和2.85″,标准差也分别由原来的95.01″和77.44″减小至11.11″和11.15″.结果表明:该标定算法在视轴工作空间中具有较高的精度和良好的稳定性,且方便易行,可广泛应用于各类光电设备的指向误差标定.
导引头 指向精度 最小二乘估计 指向误差标定 模型线性化 seeker pointing accuracy least square estimation calibration of pointing error model linearization 针对红外图像中对比度较低、目标信号较弱且受背景噪声杂波干扰较大的特点,结合信号的稀疏表示理论提出了一种基于低秩三分解模型的红外图像背景杂波抑制算法.首先,分别对红外图像中目标、背景和噪声3种成份进行建模描述,得到低秩三分解模型.然后,采用二维高斯模型构造红外小目标超完备字典,利用所提出的低秩三分解模型将分块重置的图像数据矩阵分解为背景、噪声和目标3种成份.最后,对于目标分量进行阈值处理从而得到突出红外小目标的重构图像,实现杂波抑制.在3种不同情况下的实验结果表明:本文算法能够使红外图像局部信噪比提高2倍以上;与其他经典算法相比,抑制因子至少提高15%.得到的结果表明,所提算法能够有效抑制杂波,在提高红外图像信噪比的同时,对不同噪声干扰也具有较强的鲁棒性.
红外图像 杂波抑制 低秩三分解 稀疏表示 infrared image clutter suppression three-component low-rank matrix decomposition sparse representation 为了快速准确地联合估计阵列信号波达方向(DOA)与多普勒频率,提出了将序列二次规划(SQP)应用于最大似然函数优化的联合谱估计算法.该方法利用空时信号模型通过Hankel矩阵构造出阵列流型中包含DOA与多普勒频率信息的广义天线阵模型,并推导出其最大似然函数,从而将参数估计问题转化为非线性函数优化问题.然后,将SQP方法应用于似然函数的优化求解中,得到DOA与多普勒频率的估计值.最后应用SQP方法、微分进化法、遗传算法和量子粒子群算法分别进行了优化的仿真对比实验.结果表明:提出的算法具有寻优时间短,估计精度高,参数自动配对等特点,在信噪比为0 dB时估计两个目标信号源的DOA与多普勒频率的均方根误差分别为0.263 6°和0.007 6 rad,基本达到了阵列信号处理中参数联合估计方法的设计要求.
空时信号模型 波达方向 多普勒频率 序列二次规划 最大似然估计 space-time signal model Direction of Arrival(DOA) Doppler frequency Sequence Quadratic Program(SQP) maximum likelihood estimation 由于现有的模糊图像盲恢复算法计算复杂度高,计算量大,本文提出了一种基于半二次罚函数的图像盲去模糊算法,并进行了实验验证.应用图像噪声的多阶偏导数的高斯分布特性和图像梯度值服从hyper-Laplacian分布特性建立方程,使用高效交替迭代的算法对方程求解.由于迭代过程中采用快速傅里叶变换一次求解,故大大降低了运算时间,同时获得了很好的恢复效果,为实现实时视频图像去模糊奠定了基础.对一个百万像素级的图像进行了去模糊实验,结果显示,本文算法比当前流行的算法有更快的计算速度和更好的鲁棒性,计算时间缩短了60% .提出的算法为视频图像的实时盲恢复提供了新的工具.
图像处理 半二次罚函数 盲去模糊 迭代算法 模糊核函数(点扩散函数) image processing half-quadratic penalty blind deblurring iteration method Point Spread Function(PSF) 针对视频监控的特点与跟踪目标的强机动性,提出了一种新的基于概率模型的目标跟踪框架,从目标表观模型、系统动态模型以及系统观测模型3个方面对当前标准的粒子滤波目标跟踪方法进行了改进.首先,考虑人眼细胞的分布特点,基于人眼分布结构建立目标表观模型来提高跟踪系统抵抗局部遮挡的能力;然后,建立基于自适应目标运动的系统动态模型,提高跟踪算法对快速机动目标的鲁棒性;最后,采用实时更新的系统观测模型,有效避免目标在遇到遮挡、光照变化、剧烈变形等情况下发生的跟踪漂移现象.实验结果表明,本文算法的正确跟踪率可达98%;平均跟踪误差小于6个像元.实验证明本文算法在保证系统跟踪精度要求的同时,具有计算量小、抗干扰能力强等特点.
视频监控 概率模型 目标跟踪 表观模型 实时更新 video surveillance probabilistic model target tracking appearance model online update 用基于暗原色信息的去雾方法处理雾化图像时,需要考虑消除景深边缘处的白色晕块并降低修复透射率过程所耗费的时间.为了既能够有效地去除白色晕块又能够降低修复透射率的处理时间,本文分析了最小滤波和引导滤波分别用于修复透射率的优缺点,提出了采用最小滤波和引导滤波相结合的方法来修复透射率.该方法综合了两者的优点,同时又弥补了各自的不足.较之于软抠图法,不仅有效消除了白色晕块,并且大大地降低了透射率处理时间,提高了处理效率.另外,针对传统暗原色去雾方法的缺点进行了改进.根据天空区域像素亮白的特性,将颜色和大气光相近的像素视为天空区域像素,然后对其进行颜色原值保留处理,从而有效地消除天空区域颜色的失真和跳变,从整体上改善了去雾复原图像的视觉效果.
图像去雾 暗原色 透射率 景深边缘 最小滤波 引导滤波 image haze removal dark primary transmittance depth-edge minimum filtering guided filtering 对小区背景下运动物体图像进行分割时多使用单目标或多目标优化方法,这类方法不能有效适应目标的动态变化,因此本文提出一种动态多目标图像分割优化方法.该方法将时间及环境动态因素作为动态因子,利用K均值(K-Means)算法和和模糊C均值(FCM)聚类算法构造多目标函数;结合动态多目标粒子群算法(DMPSO),使用背景差分法定义环境变化规则,实现动态多目标的图像分割.根据DMPSO算法优化后的聚类结果,分别与K-Means和FCM聚类方法得到的结果进行了对比.结果表明,动态多目标优化的Pareto最优解集分布均匀,图像分割准确率可达到95%,对图像识别的准确率可达到90%,具有较高的识别能力,能满足确定背景下运动物体的准确识别.
图像分割 图像聚类 运动目标 动态多目标优化 粒子群算法 image segmentation image clustering moving object dynamic multi-objective optimization particle swarm algorithm